cinetica de crecimiento

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR
de Ciudad Hidalgo
CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE PELÍCULAS DELGADAS
MATERIA: SÍNTESIS DE NANOMATERIALES
INAN. ANA KAREN ALCANTARA TELLEZ
PRESENTA:
SOFÍA NAVA CORONEL
CARRERA:
INGENIERÍA EN NANOTECNOLOGÍA
GRUPO: NANO7
CIUDAD HIDALGO, MICHOACÁN A 13 DE NOVIEMBRE DEL 2017
ÍNDICE
Introducción	3
Cinética	4
Mecanismo de reacción	4
Importancia de la cinética	5
Nucleación y crecimiento de capas	5
Técnicas de preparación de películas delgadas.	6
Cinética del proceso de CVD	6
Nucleación del crecimiento de la película delgada por deposición	7
Crecimiento en la técnica de epitaxia por haces moleculares	8
Crecimiento de películas en la técnica PVD	8
Conclusión	11
Bibliografía	12
CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE PELÍCULAS DELGADAS
Introducción
Las películas delgadas son capas de materiales delgados con espesores que van desde algunos cuantos nanómetros hasta algunos cientos de micrómetros, las cuales son creadas por condensación una a una de materia, como átomos o moléculas.
Las propiedades básicas de las películas, tales como su composición, su fase cristalina, morfología, orientación, espesor y micro estructura, son controladas por las condiciones de depósito y del método empleado, por ejemplo: la temperatura de crecimiento, la tasa de crecimiento, el sustrato, tiempo de depósito, la química, etc. Todo esto da como resultado, propiedades únicas de un material producto de un proceso de crecimiento, algunos ejemplos de propiedades esperadas son: tamaño de grano, efectos cuánticos, espesor, orientación cristalina, cambios en la resistividad, efectos de tensión, etc.
La medida de las propiedades de las películas delgadas es indispensable para el estudio de las películas delgadas de materiales y dispositivos. La composición química, estructura cristalina, estructura óptica, eléctrica y propiedades mecánicas deben ser consideradas en la evaluación y estudio de las películas delgadas, esta caracterización permite ver la correlación entre las condiciones de crecimiento y las propiedades resultantes del método de fabricación.
Existen dos técnicas principales por las cuales se puede obtener la deposición de películas delgadas sobre un sustrato, éstas se basan en usar un sustrato donde se depositarán las moléculas en fase vapor, provenientes de una fase sólida en la cual se hace incidir energía con el fin de una evaporación del material (PVD) o se parte de moléculas en fase gaseosa o líquida (CVD). Aunque existen varios métodos pertenecientes a estas técnicas, en este trabajo se explica el crecimiento y nucleación de las películas delgadas de una manera general.
La cinética del crecimiento de estos nanomateriales será variada en función de los parámetros que cada método utilice, buscando una ruta más sencilla y eficiente para la reacción y posterior nucleación y crecimiento de las películas.
Cinética
La cinética se puede subdividir en la cinética física que estudia los fenómenos físicos tales como la difusión y la viscosidad y la cinética química, que estudia las velocidades de las reacciones químicas (que incluye tanto cambios de enlaces covalentes como no covalentes).
Mecanismo de reacción
Considere la siguiente reacción hipotética en un solo paso:
AB + C → A + BC
Los componentes del lado izquierdo son los reactivos, los del lado derecho corresponden al estado final o productos. Por experiencia, muchas veces los reactivos no se transforman inmediatamente en productos; esto es porque los reactivos presentan cierta estabilidad. Esta resistencia a que sucedan las reacciones químicas se debe a la energía necesaria para pasar de reactivos a productos. Se puede imaginar que el sistema reactivo sigue una trayectoria y que pasa a través de un máximo que se encuentra en algún lado entre los estados inicial y final.
Esta posición de máxima energía se conoce como estado de transición de la reacción, la diferencia de energía entre el estado de transición y el estado inicial es la barrera de energía de la reacción.
Una reacción de un solo paso tiene un solo estado de transición y tal proceso se llama reacción elemental.
Muchas de las reacciones químicas (globales) consisten de dos o más reacciones elementales, cuya combinación es una reacción compleja. En el siguiente diagrama se muestra una reacción compleja compuesta por dos reacciones elementales. La especie caracterizada por un mínimo en la curva es un intermediario inestable, no se
trata de un estado de transición dado que no se encuentra en un máximo.
Este intermediario se puede considerar como un producto de la primera reacción y un reactivo de la segunda. Un mecanismo de reacción postulado es una descripción de todas las reacciones elementales que contribuyen (a esto lo llamamos esquema cinético), así como de una descripción de las estructuras (electrónicas y químicas) y la
estereoquímica del estado de transición para cada reacción elemental.
Importancia de la cinética
Una vez que se ha establecido la estequiometría de una reacción, la primera tarea de la cinética química es esencialmente establecer el esquema de reacción, en otras palabras, la reacción global se descompone en sus reacciones elementales.
En el proceso de establecer el esquema cinético, los estudios de velocidad determinan
los efectos de las diversas variables posibles: temperatura, presión, concentraciones de los reactivos, fuerza iónica, disolvente y efectos de las superficies.
Esta parte de la investigación cinética constituye la descripción fenomenológica del sistema. El siguiente nivel busca una descripción molecular y nuevamente la cinética hace una contribución: proporciona información tanto del aspecto energético de la reacción, como de la composición del estado de transición. Por lo que, cualquier mecanismo propuesto debe ser consistente con la evidencia cinética.
Una vez que se conocen los estados inicial y final de una reacción elemental, se pueden proponer una infinidad de rutas para que ocurra; la cinética intenta eliminar la mayoría de estas posibilidades y sugerir la más factible.
Las velocidades de reacción casi siempre dependen de las concentraciones de los reactivos y (para las reacciones reversibles) de las concentraciones de los productos. La relación funcional entre la velocidad de reacción y las concentraciones del sistema (generalmente a temperatura, presión y demás condiciones ambientales constantes) se llama ecuación de velocidad o ley de velocidad (1).
Nucleación y crecimiento de capas
Para analizar los fenómenos de nucleación y crecimiento de las capas se debe tener muy en cuenta que, a lo largo de las superficies de los sustratos, existen zonas con diferentes características para formar enlaces con el material que se va a depositar. En los puntos donde se forman los enlaces más fuertes, es donde se encuentra más favorecida la formación de núcleos. Una vez que los núcleos alcanzan cierto tamaño crítico resulta energéticamente más favorable su crecimiento que su reevaporación. Estos núcleos que se están formando en diferentes zonas de la muestra, llegan a ponerse en contacto, coalecen y finalmente forman una capa continua de depósito. La estructura del depósito (amorfa o policristalina), habitualmente obtenida en los procesos de CVD, se encuentra determinada por la velocidad de aporte de masa y por la temperatura del proceso. Generalmente, para altas temperaturas y bajas concentraciones, la movilidad de los átomos adsorbidos es baja, pero la velocidad de suministro de masa es alta y se forman numerosos núcleos con orientaciones diferentes. La coalescencia de dichos núcleos da como resultado la formación de una estructura policristalina. Sin embargo, si las temperaturas son bajas y se aumenta la concentración de reactivos, se forma una mayor cantidad de núcleos y finalmente la estructura del depósito puede llegar a presentar una estructura amorfa.
Técnicas de preparación de películas delgadas.
Las técnicas de preparación de capas utilizadas en el laboratorio están basadas en la deposición física o química de películasdelgadas a partir de la fase vapor ('physical vapour deposition' o PVD y 'chemical vapour deposition' o CVD, respectivamente).
En ambos casos, las técnicas están basadas en la formación de un vapor del material a depositar, con objeto de que el vapor se condense sobre la superficie del substrato formando una capa delgada. Generalmente el proceso ha de realizarse en vacío o en atmósfera controlada con objeto de evitar la interacción del vapor con la atmósfera del aire.
Esquema del proceso:
En las técnicas físicas (PVD) se parte de un material sólido que se convierte en vapor mediante calentamiento (evaporación) o bombardeo con iones energéticos. El material en forma de vapor termina condensándose sobre la superficie del substrato en forma de capa delgada.
En las técnicas químicas (CVD) se parte directamente de gases (a veces en forma líquida que pasan a estado de vapor) los cuales mediante reacción dan un producto nuevo que se condensa en forma de película delgada sobre el substrato.
Una diferencia esencial entre las técnicas de PVD y de CVD es que en las primeras el material a depositar ya existe (en forma de sólido) mientras que en las segundas el material no existe previamente: se sintetiza mediante reacción en fase vapor.
Otras técnicas de preparación de capas incluyen la oxidación térmica a alta temperatura y la oxidación anódica (2).
Bibliografía
1. Cinética Química. [En línea] [Citado el: 12 de Noviembre de 2017.] http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/CQ1_348.pdf.
2. Técnicas de preparación de películas delgadas. [En línea] http://www.icmm.csic.es/fis/espa/preparacion_introduccion.html.
3. Osorio, Francisco Javier Bolívar. Evaluación del comportamiento a elevadas temperaturas de recubrimientos de Al, Si y de Al modificado con Si y Hf depositados mediante CVD-FBR sobre aceros ferrítico-martensíticos (9-12 %Cr). 2007.
4. Técnicas de Depósito Químico. [En línea] [Citado el: 12 de Noviembre de 2017.] jserra.webs.uvigo.es/.../Tecnicas-2004.../Tecnicas%20de%20deposito-parte%202.ppt.
5. Elías, Miguel Ghebré Ramírez. Crecimiento y caracterización de películas delgadas de AIGaAs sobre substratos de GaAs (6 3 1). San Luis Potosí, San Luis Potosí, México : s.n., Noviembre de 2007.
6. Fases de Crecimiento de Películas Delgadas. [En línea] https://es.scribd.com/document/249714012/Fases-de-Crecimiento-de-Peliculas-Delgadas.